氫氣因其無(wú)碳化、可再生的屬性，將在未來(lái)的能源應用領(lǐng)域內，具有先天優(yōu)勢和廣闊的運用前景。然而，氫能輸送效率是現階段制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸環(huán)。 專(zhuān)家提出，利用現有國內已建成的天然氣管網(wǎng)，摻入一定比例的氫氣輸送?！疤烊粴鈸綒洹备拍钣纱颂岢?，被認為是實(shí)現節能減排和規模氫能運輸的重要手段。

基本概念

天然氣，是一種烴類(lèi)和非烴類(lèi)氣體的混合物，是我們常見(jiàn)的化石燃料和化工原料，其主要成分就是甲烷。

氫氣，是一種由氫元素組成的單質(zhì)氣體，是二次能源，需要進(jìn)行生產(chǎn)加工才能得到，目前主要通過(guò)化石能源和工業(yè)尾氣制氫。

天然氣摻氫，是指將一定比例的氫氣注入到天然氣中，形成的一種混合氣體（HCNG），通過(guò)天然氣管道將摻氫的天然氣輸送至終端用戶(hù)，隨后直接利用、或者將氫氣提純后分別單獨使用。

氫氣與天然氣（甲烷）性質(zhì)對比表

天然氣與氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)不同，因此，摻氫天然氣和常規天然氣的物性、燃爆特性都存在一定差異，具體差異大小取決于摻氫比。通過(guò)調配不同的摻氫比例，可以?xún)?yōu)化天然氣的燃燒特性。

現實(shí)意義

對天然氣產(chǎn)業(yè)而言，摻氫天然氣能夠利用氫氣替代一部分天然氣消費，若按摻氫比10%~20%測算，預計每年可替代100億~200億m3天然氣，一定程度上緩解天然氣的供應緊張問(wèn)題。更為重要的是，摻氫天然氣相比純天然氣，是一種更清潔低碳燃料，能降低終端用能的碳排放水平。清華大學(xué)汽車(chē)安全與節能?chē)抑攸c(diǎn)實(shí)驗室馬凡華表示，假如在天然氣當中摻入20%體積比的氫氣，燃燒后氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氫都可降低50%以上。

天然氣摻氫技術(shù)路線(xiàn)圖

對氫能產(chǎn)業(yè)而言，在天然氣管道摻入氫氣運輸，短期有助于突破氫氣運輸瓶頸。上期講到管道輸氫，能實(shí)現氫能的遠距離、大規模、低能耗運輸。與不足300km的純氫管道相比，我國天然氣管網(wǎng)總里程約為1.1×105km，這為發(fā)展天然氣摻氫運輸提供了堅實(shí)的基礎。另一方面，天然氣摻氫，可以擴大氫氣的應用領(lǐng)域和規模，若按摻氫比10%~20%測算，預計2030年有270萬(wàn)~630萬(wàn)噸氫氣摻入天然氣管網(wǎng)。

摻氫工藝

目前較為常用的天然氣摻氫工藝，主要有定壓配比系統和在線(xiàn)混合系統兩種。

定壓配比系統，是指利用在密閉容器中兩種氣體的混合體積比是氣體分壓比的原理進(jìn)行混合配比。通過(guò)天然氣瓶組和氫氣瓶組向固定容積的氣瓶充氣，測量每次充氣的壓力，得到所需體積摻氫比。適合要求配比精度低、用量小的試驗場(chǎng)所。

摻氫天然氣管道

在線(xiàn)混合系統，是隨著(zhù)用氣端工況變化，及時(shí)準確地提供給定摻氫比的混合氣。天然氣的流量受用氣端控制，并通過(guò)精度較高的質(zhì)量流量計計量管道中天然氣的流量，根據測量結果按照所需的摻氫比計算得到氫氣流量，然后通過(guò)質(zhì)量流量控制儀或比例調節閥控制氫氣的流量，最后通過(guò)穩壓罐進(jìn)行混合，從而達到所需摻氫比。此方法配比精度較高。

摻氫比例

天然氣摻氫后將對天然氣管網(wǎng)基礎設施及終端用能設備產(chǎn)生一定的影響，根據氫氣含量不同，對產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節、不同設備產(chǎn)生的影響也存在差異。研究表明，低比例的氫氣（20%體積比以?xún)龋┘尤胩烊粴夤芫W(wǎng)系統中并不會(huì )明顯增加相關(guān)事故風(fēng)險及危害，對系統進(jìn)行輕微改造的情況下最高可以允許50%體積比氫氣加入天然氣管網(wǎng)系統。

各國天然氣摻氫比上限要求

由于受多個(gè)因素制約，國際上對于天然氣管道系統中可摻氫比例尚無(wú)統一確定的標準。目前各國對天然氣的摻氫比例上限的規定不盡相同，總體上摻氫比例上限在10%以?xún)?。我國在《進(jìn)入天然氣長(cháng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》提出，僅允許不超過(guò)3%的氫氣進(jìn)入天然氣管道。

發(fā)展現狀

進(jìn)入21世紀以來(lái)，國內外對天然氣摻氫開(kāi)展了相應的研究和示范工作，據國際能源機構數據，全球開(kāi)展了近40個(gè)摻氫天然氣管道輸送系統應用示范項目。歐洲國家率先開(kāi)始進(jìn)行天然氣摻氫的研究和示范項目，例如歐盟Natural Hydrogen項目、荷蘭Sustainable Ameland項目、德國DVG項目、法國GRHYD項目、英國Hydeploy項目和H21Leeds CityGate項目等。其中，部分示范項目中的最高摻氫比例已達到20%。

張家口天然氣摻氫入戶(hù)項目

與領(lǐng)域先行國家相比，我國天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏全面的技術(shù)體系和成熟的工程實(shí)踐。目前初步建成示范項目有3個(gè)：遼寧朝陽(yáng)天然氣摻氫示范項目，摻氫比例為10%，實(shí)現了制氫、儲運、摻混、利用全鏈條驗證；山西晉城天然氣摻氫示范項目、河北張家口天然氣摻氫入戶(hù)項目。其他在建或規劃的示范性項目還有12個(gè)。

未來(lái)潛力

據國際能源機構統計，自2013年以來(lái)，全球天然氣摻氫的規模增長(cháng)了7倍，2020年天然氣管道摻氫規模達到了約3500噸。目前所有正在推進(jìn)的天然氣摻氫項目都能落地，其規模將可能增加700多倍，氫氣總摻入量將大于200萬(wàn)噸。

到2030年，若需滿(mǎn)足全球凈零排放的要求，氫氣總摻入量將達到5300萬(wàn)噸。巨大的需求缺口，表明天然氣摻氫市場(chǎng)前景可觀(guān)，發(fā)展潛力巨大！

總 結

天然氣摻氫，能夠提高氫能在能源中的比例，減少對傳統化石燃料的依賴(lài)、降低碳排放，還有助于擴大氫的需求、降低氫氣長(cháng)距離運輸成本，并通過(guò)規?；档椭茪涑杀?。這為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的思路，對氫能在交通、建筑、制造業(yè)和電力等領(lǐng)域的推廣有著(zhù)重要意義。